金属酶的化学.pdf
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金属酶的化学区耀华周听?
清华大学生物科学与技术系?
摘要本文列举生物体内主要的金属酶,并选择有重要意义的锌酶为代表进行论述。
指出赋予锌酶特定催化功能的是酶结构中固有的锌离子和以低对称方式配位在锌离子的蛋白链特定集团。
特定集团的配位几何对阐明酶结构和功能有重要意义。
本文并叙述以钻离子做光谱探针用电子吸收光谱法研究金属酶中金属离子配位环境几何学的方法。
近十余年,无机化学,特别是配位化学对生命科学的渗透,使得道接观测水溶液状态的生物大分子结构与反应成为可能。
配位化学理论方法与生物化学相结合,为探索生命奥秘迈出了第一步,其中,金属酶结构与反应机制的研究是这两种学科相结合的一个范例。
一、金属酶的特点酶是生物催化剂。
生物体内各种复杂的化学变化能在温和条件下迅速进行,根本原因是生物体内存在各种形式的酶。
酶具有惊人的高催化效率。
酶催化的反应速度此非催化反应一般要高?
一?
“”倍,比其它催化反应要高?
一?
”倍。
此外,酶的作用具有高度的专一性。
一种酶只作用于某一类或某一种特定的物质。
本世纪二十年代已经证实酶是蛋白质。
随着分析技术在生物体系中应用的发展,人们发现许多酶促反应需耍金属的参与,在众多的酶中,大约有三分之一的酶在它们本身结构中含有金属离子或者虽本身不含金属但必须有金属离子存在才具有活力,前者称为金属酶,后者称为金属激活酶,两者的主要区别在于金属离子与蛋白质?
酶蛋白?
结合的紧密程度,通常用“金属一酶蛋白配合物”的稳定常数来衡量。
金属酶的稳定常数一般可达?
一?
“?
一,。
金属酶结构中的金属离子多处于第一过渡系,例如?
、?
、?
。
、?
、?
、?
。
等。
表?
列举一些代表性的金属酶。
表?
一些有代表性的金属酶金属生物功能金属生物功能铁氧还蛋白耽琅酸脱氢酶细胞色素氧化酶酪孟人俊酶碳酸配酶拨肤酶碱性磷酸脂酶光合作用糖类需氧氧化电子传递皮肤色素淀积?
的水合作用蛋白质消化磷酸酉旨水解锰精氨酸酶丙酮酸狡化酶核普酸还原酶谷氨酸变位酶黄嚓吟氧化酶硝酸盐还原酶眠白勺形成丙酮酸?
七谢?
生物合成氨基酸代谢漂岭代谢硝酸盐利用在各类金属酶中,对锌酶的研究最为详尽,因为锌酶涉及生命过程的各个方面。
生物体中重耍代谢物的合成与降解,都需要锌酶的参与。
近年还发现锌酶可以控制生物遗传物质的第?
卷第?
期?
一?
一复制、转录与翻泽。
目前,从生物体分离出来的锌酶已超过?
种。
随着生物化学技术与元素微量分析技术的发展,还将不断发现锌酶的新品种。
二、金属酶的配位化学金属酶分一子庞大,结构复杂。
一方面,它和一般的蛋白质一样,有它的一级结构?
指氨基酸组成及其排列顺序?
和高级结构?
指蛋白链在空间的卷曲,摺叠?
。
另一方面,分子结构中固有的金属离子处于卷曲、摺叠的蛋白链包围之中,?
且蛋白链中一些氨基酸残基通过其含有供电子基团的侧基配位于金属离子。
例如结构已经比较清楚的碳酸醉酶,它是一种分子量为?
?
的锌酶。
从人的红细胞中提取的碳酸醉酶?
由?
个氨基酸残基组成,每个分子含有一个?
且?
离子。
由于蛋白链的高级结构,使得在氨基酸序列上井不邻近的三个组氨酸残基?
第?
?
和?
位?
相互靠近,它们分别通过侧链咪哇环上的氮原子配位于?
离子?
图?
井在?
离子周围组成近似四面体型的配位环境,共中第四个配位位置是对周围介质开放的,通常它被水或经基占据?
图?
。
?
射线研究结果指出?
离子所处的配位四面体是高度畸变的。
实验证明,在碳酸醉酶中?
且?
离子是酶催化活力所必需的。
根据酶催化机制的现代论述,酶促反应过程中有一个活性中间物形成。
?
离子具有可容纳多个配体的配位环境,因此当酶分子与底物?
即与酶作用的物质?
作用时,底物可以直接配位于?
增加其配位数,或图?
碳酸醉酶结构示意图图?
碳酸醉酶活性部位示意图者通过置换原已在?
配位层中的水分子?
或溶剂分子?
进入?
配位层,生成酶蛋自一金属离子一底物的三元配合物,即活性中间物,其中?
且?
起着桥联酶蛋白与底物的作用。
必须指出,单独的?
离子是不能完成象锌酶那样高效的催化作用的。
不仅?
离子如此,其它过渡金属的水合离子在催化效率上也都远低于其相应的金属酶。
例如草酞乙酸的脱梭反应?
月?
一?
在之?
件勿体中,这一反应可被一种活性依赖于?
的草酞乙酸脱梭酶所催化。
这一反应也可被简单水合的金属离子?
包括?
且?
所催化,但是前一种情况下催化效率远比后一情况高。
由此可见,金属酶中的金属离子由于和具有高级结构的酶蛋白链结合,它的配位能力、极化能力以及配位多面体的几何构型等方面都得到了修饰。
这种修饰,在含?
金属酶中一方而使得?
离子充分满足作为催化部位?
与底物结合部位?
的要求,另一方面一也由于?
且?
离子配位环境的特异性,因而形成了反应的专一性,使它区别于具有其它功能的锌酶。
由此看来,赋予金属酶以特定催化功能的是酶结构中固有的金属离子及其周围由酶蛋白链提供特定基团所组成的配位环境,这整个部位是表现酶的催化活性的关键,称为酶的活性部位。
如果用配位化学的语言来表达,这种部位实质上是金属离子的畸变配位多面体。
畸变的配位多面体便于在不同几何构型之间发生转变,因而有利于过渡态的实现,就是说,金属酶一?
一大学化学的活性部位是在能量上接近过渡态的区域。
三、应用配合物研究方法于金属酶结构与功能以及反应机制的研究是酶的基础理论工作的核心,对于金属酶,情况也一样。
不同领域的工作者从不同角度,利用不同的方法开展酶?
金属酶?
的基础理论研究。
对于生物化学工作者来说,他们强调酶?
金属酶?
是蛋白质。
对于生物无机化学工作者来说,由于他们充分估计到金属酶中金属离子对酶功能所起的作用,所以他们除了注意到金属酶的蛋白质本质以外,更主要的是把金属酶看作是一种具有特异形式的配位化合物,其中,整个酶蛋白作为金属离子的多啮配体。
这样,配合物的研究方法便可以应用于金属酶。
本文汉以电子吸收光谱的应用为例予以说明。
组成蛋白质的氨基酸如果含有芳香侧链,则由于二一二电子跃迁,在?
附近出现吸收带。
金属酶除在此范围内有吸收外,过渡金属离子的?
一?
跃迁及金属离子与其配体之间的荷移跃迁,还可表现出其它的吸收带。
应用配位体场理论方法对金属酶的电子吸收光谱进行分析,可得到关于金属离子配位环境的几何结构的信息。
遗憾的是在?
酶中?
离子的?
“电子构型使得它的氨基酸配合物不呈现颜色。
生物无机化学家常利用金属酶在溶液中的配合平衡?
金属离子?
酶蛋白策?
全金属酶用适当的金属鳌合剂夺取金属离子?
例如?
然后置入另一种过渡金属离子,使产生电子吸收光谱。
通常?
离子是?
离子的最佳替代者。
这是由于在四面体场中,?
且?
离子?
电子构型为?
“?
这种电子构型的离子,在行为上类似于球形离子,因此它和具有?
“电子壳层的?
离子相似,易于适应四面体型及畸变四面体型的配位多面体。
用?
且?
置换锌酶中的?
由于能够保持?
且?
原来的配位环境,因而往往能保持酶原来的活性。
碱性磷酸醋酶的研究是很有趣的,该酶分子由两个亚基组成,分子量约为?
。
?
。
分子中含有?
个?
离子,它们分别属于两个亚基。
利用金属赘合剂可使酶中?
个?
离子失去,酶催化活力迅速下降至可以忽略的程度,说明被夺取的?
个?
且?
离子是酶催化活力所必需的。
如果使鳌合剂继续与酶作用,则酶中剩余的?
个?
且?
离子也逐渐被夺去,最后生成不含金属的酶蛋自,酶蛋白的稳定性远低于天然酶,说明难于被夺取的后?
个?
离子具有稳定蛋白质结构的作用。
由此看来,碱性磷酸醋酶中的?
离子,具有催化功能和稳定结构功能两类。
?
。
?
且?
一碱性磷酸醋酶电子吸收光谱的研究,可以阐明两类金属离弓?
份巴?
遥仙月?
召飞?
。
?
广一锡】?
、米?
厂一之?
几?
。
。
?
。
一?
、?
?
处,?
岭尹一一弓?
能级图的下半部伙?
、图?
波长?
时图?
一碱性磷酸醋酶吸收光谱第?
卷第?
期?
一?
一子扮演不同角色是它们所处配位环境不相同的结果。
图?
是?
一碱性磷酸酷酶的可见吸收光谱,其中?
“?
表示酶蛋白一与两个?
。
?
且?
离子结合,此时酶不具催化活力。
?
?
表示酶蛋白与四个?
。
?
且?
离子结合,这种状态的酶是有催化活性的。
在生物无机化学研究中经常用的研究方法是借助小分子模型化合物?
选择各种几何构型的?
。
?
配合物?
可以获得关于酶中两类金属离子结合部位的信息。
图?
是?
叹且?
离子?
在?
与?
对称场中能级图的低能级部位。
两种对称场中,基态到激发态的跃迁都是自旋允许,但?
。
场中的跃迁却因轨道禁阻,吸收强度极弱。
在?
场中,隽态到激发态的?
跃迁?
一一一?
是轨道允许的,因此这种跃迁在?
且?
四面体型配合汁福月舜入启酬齐健?
!
?
#?
。
物的光谱?
卜占统治地位?
见图?
。
?
的光谱与模型化合物相对照,它与八而体型模型化合物,如?
。
?
老十等相似,都具有简单、低吸收,且吸收带中心约处于?
等特征。
说明两个与催化活力无关但对蛋白质结构有稳定作用的?
。
?
离子处于规则八面体型配位环境。
至于?
所产生的吸收光谱,就强度来看与四面体型配合物光谱相近,而与八而体配合物不同。
至于从谱带结构来看,则不对应于任一种构型的配合物。
可以设四面体型。
竹议功?
通。
?
副琴旧试?
孚督长世?
图?
。
“十可见光谱?
一可见光谱想,如果?
且?
离子处于低对称场,则由于?
轨道能级简拜的进一步消除,?
一?
跃迁将与具有分裂带的谱图相对应。
借助几何构型为三角双锥型的模型化合物?
“?
它在?
呈现吸收的范围内有四个吸收带。
由此推论,?
。
?
“?
中含有近似于三角双锥型配合物的金属结合部位。
如果把酶中一与催化活力无关的?
且?
离子的弱吸收除外,则与催化活力有关的?
。
?
离子所呈现的吸收表明它是处在一个畸变的三角双雄型配位多而体之中,在核磁共扳波谱侧定的基础上曹推测碱性磷酸醋酶活性部位上配位于金属离子的是四个组氨酸残墓。
根据锌酶的一般情况,活性部位上的金属离子是对溶剂开放的。
因此最低限度有一个水分子处于金属离子的配位层。
这样,碱性磷酸酷酶催化活力必需的金属离子具有配位数口为五就不足为奇了。
金属酶与抑制剂作用引起的电子吸收光谱变化,是研究酶作用机制的有效途径,特别是那些结构上与底物相类似的抑制剂,往往以与底物相似的方式作用于酶。
图?
示出几种不同抑制剂作用于?
一碳酸醉酶的电子吸收光谱。
谱图最低限度可提供两方而信息、?
一是抑制剂加人前后酶的?
一?
谱有了变化,这是抑制剂直接结合于?
。
?
离子形成过渡态三元配合物的标志。
另一是抑制剂?
一和乙酞哇磺胺与酶结合后,谱图反映出过渡态三元配合物基本上是四面体型的。
但另一些抑制剂如硫氰酸盐与酶之间的三元配合物则为近似于四角锥型或三角双锥型的五配位配合物。
不论形成那一种形式的过渡态配合物,具有催图?
一、?
?
波长?
?
碳酸醉酶吸收光谱?
加入?
一?
加人乙酸哇胺。
一?
一大学化学化功能的金属离子都会经历一个从不规则的配位环境到另一个现则的配位环境的转变。
?
用质子?
弛豫速率方法测定酶中金属离子的配位水,可以进一步了解抑制剂与碳酸醉酶中?
!
离子作用的方式。
实验结淤表明形戊四配位过渡态三元配合物时,Co（且）离子没有配;）止圣拿/酬11齐CooH:
位水,而在五配位时有一个配位水分子。
这样,抑制剂配位于C。
（n）离子的方式如上图综上所述,应用配位化学理论方法与近代物理技术于生物大分子结构与功能的研究,已经成为生物无机化学研究的重耍方面,井且已经取得了丰硕的成果,相信在今后几十年内,_卜述研究方法在生物无机化学领域会得到更大的发展。
参考文献iOel飞iai,Ei一Iehiro“BioinorganieChemi:
Lr玉二入nIntrod以etion”,AllynandBaeon,Ine.,Chap.z3,365一377（1977）2EielhornG.L.,“InorganieBioehemi:
try”,EI、。
vic,弓cien,Publ.Co.,381一427（1973）3WilliamoD.R,“AnIn七rodue七ion七0BioinorganieChemistr少”,Thon飞as,C.C.publisher,51一53（1976）i动态与信J急.r.J,.,.二,.司.闷,丫.,口.闷,口.月,.,J新建北京分子动态及稳态结构实验室1987年3月1日至3月斗日,受国家计委、国家教委和中国科学院等领导部门委托,召开了对中国科学院化学所和北京大学化学系联合申请的“北京分子动态光谱及稳态结构实验室”的论证会议。
到会专家组审查了上述两单位提交的论证材料,参观了有关实验室,听取了各课题组的工作情况报告。
经过认真讨论,一致认为发展并加强科研单位和高等院校的权向联合是符合中央科技体制改革的决定的,建立北京分子动态和稳态结构实验室是有条件的,也是必要的。
这是我国第一个通过论证的国家级联合实验室。
分子动态结构的研究是当前七学领域为重大课题之一。
它所提供的信息有助于深人认识化学反应过程巾的活泼中间体的结构及其变化的规津。
不汉对化学反应理论的发展有重要意义,而且对于合成化学反应途径的选择,控制和设计有指导作用。
分子稳态结构的研究,由于近年来实验技术的发展,已为生物大分子,新型化合物,表面结构提供更精确的测定手段,从而促进了稳态结构研究结果和复杂分子构象、反应活性、化学键型和电子密度畴变等的结合,为亏解与利用物质结构及反应性能的关系提供了可靠的依据。
中国科学院化学所和北京大学亿学系自五十年代开始已有良好的合作关系,同时在上述领域中又有各自的研究特色和重点。
化学所在活泼中间体等的动态结构研究方面取得了很好成绩,并发展了研究中间体结构与性能为新实验方法。
北大化学系在晶体化学和结构化学领域作了许多工作,近年来已扩展到生物大分子、原子簇比合物、表面化学、化学键、量子化学与分子力学计算等领域,并与材料性能、尘物药制、稀土分离与应用相结合取得了重要的成果。
迄今为止.两单位均已形成一支高水平的老、中、青相结合的科研队伍;已初步具备开展该领域研究工作的仪器设备,并积累了丰富的经验;已在国内外发表大量有关学术论文,并获得多项国家级与部级奖励。
专家组讨论了实验室的名称和研究方向,建议把研究集中于活泼中间体的动态结构研究,晶沐与络合物分子的稳态结构研究与理论计算,分散体系的表面结构化学三方面,并希望加强动态与稳态结构研究的结合。
北京分子动态及稳态结构实验室将是一个联合、开放和部分人员流动的实验室;是推动科技体制改革的有效尝试。
联合实验室将成为发展化学学科和培养人才的基地,为我国穴现四个现代化作出贡献。
（金辛羊林）第2卷第3期（1987）15
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